Creare immagini realistiche con bCAD

La possibilità di creare immagine realistiche di un futuro prodotto, edificio od interno al giorno d'oggi è un funzione doverosa per un programma CAD che si rispetti, specialmente nelle aree di design ed architettura. Presto o tardi un disegnatore arriverà allo stadio in cui avrà la necessità di realizzare qualcosa del genere. Il progetto potrebbe non essere ancora completamente finito, senza la scelta finale dei colori e del tipo di materiale da usare nella realtà. Molto spesso c'e' la necessità di scegliere la luce più idonea, rappresentando i vantaggi, le possibilità e le debolezze. L'appropriata scelta della visuale e della prospettiva è anche importante. In questo articolo spiegheremo come questo lavoro può essere fatto con il programma bCAD.

Iniziamo definendo le proprietà ottiche del modello. Qui stiamo utilizzando l'Editor dei materiali di bCAD. Questo riquadro di dialogo ha cinque sezioni - colore, superficie, texture, bump e reflection maps. Quasi tutti i cambiamenti apportati alle proprietà di superfici, texture e reflection map sono mostrati in tempo reale sia direttamente nella finestra di disegno sia nella speciale finestra di anteprima. Questo rende il processo di definizione di queste proprietà facile, intuitivo e chiaro.

Proprietà delle superfici
In questa sezione si andranno a definire il formato, colore brillantezza, autoilluminazione, trasparenza del materiale, livello di riflessione e, per gli oggetti trasparenti, rifrazione. Tutti i parametri, eccetto il livello di rifrazione, sono misurati in percentuale, fin qui possiamo lavorare intuitivamente non pensando e cercando valori fisici reali. Parlando del livello di rifrazione - bCAD permette di creare materiali anche immaginari e non esistenti in realtà. Questo valora può essere impostato fra 1 e 4, mentre in natura il materiale con il più alto gradi di rifrazione è il diamante con un livello di 1,7 IOR. Quindi il disegnatore può esagerare nell'impostazione, se ne avesse il bisogno.

fig.2 - Esempio di miscelazione fra texture e colore

 

Colorazione e texture

Il colore di ogni punto della superficie in bCAD è definito da due parametri - il colore principale è la texture. Questi parametri possono essere mischiati in qualsiasi proporzione. In questo modo, utilizzando la stessa immagine come texture possiamo creare differenti materiali, quercia affumicata o sul verde ad esempio.

fig.3 - Texture parametrica di mimetismo applicata ad una forma complessa

CAD supporta due tipi di texture - le tradizionali immagini raster e le texture procedurali. Le texture procedurali sono dei programmi di definizione applicati all'intero volume dell'oggetto. Questo da benefici nella colorazione di forma complesse, inoltre l'uso delle texture procedurali è molto facile da apprendere.

fig.4 - Applicazione di una texture raster alla supefice di una maglia

L'uso delle texture raster è leggermente più laborioso, in ogni caso questo rende possibile l'uso di immagini reali di carte da parati, parquet or mattonelle, ecc ecc. Un esempio di una texture raster si può osservare sul disegno di una matreshka (tipo di bambola Russa). Per far capire meglio come l'immagine è stata applicata abbiamo reso le reti della maglia visibili. La texture si adatta perfettamente a questa maglia. In alto si può osservare l'originale immagine raster. Ma questo non è tutto, la texture raster può essere applicata in molti modi sulla superficie della maglia. Si possono usare tre tipi di proiezioni della texture sulla superfice dell'oggetto - planare, cilindrica e sferica. La proiezione della mappa può essere liberamente orientata(mossa, ruotata e scalata) in relazione all'oggetto. La texture può anche essere specchiata, evidenziata e divisa. Una delle funzioni addizionali su questo tipo di texture è "nero è trasparente". Questo rende invisibile tutta l'area dell'oggetto dove la colorazione della texture è completamente nera (in termini informatici quanto tute le componenti di colore rosso,  verde e blu hanno il valore zero). Questo da la possibilità di creare effetti speciali senza dover disegnara geometrie complesse - inferriate, coperture, sagome e così via. Le texture raster in  bCAD possono essere importate da svariati formati di file: Windows BMP, GIF, JPEG, TGA, PIC, CEL, FLC. Nel caso si usino texture animate (altra possibilità data da bCAD) l'effetto verrà integrato nel disegno e visualizzato quando verranno create in bCAD animazioni.

Bump

fig.5 - La bump map simula le onde su una superficie liquida

Come altri programmi 3D bCAD ha la capacità di produrre simulazioni visuali di superfici accidentate applicando le cosiddette bump map. L'uso delle bump map permette di creare in modo relativamente semplice, geometrie lisce ma dare loro un aspetto e visualizzarle in modo molto realistico. Le bump map di bCAD, come le texture sono di due tipi - procedurali e raster. Il livello di bump è definito per gradiente di  luminosità della bump map. Questo tipo di funzione viene spesso utilizzata per la creazione di materiali finiti nel disegno di interni ed in architettura. Un altro esempio è la simulazione di una superficie non uniforme di un liquido. Un esempio è possibile osservarlo in questa immagine - la geometria disegnata per la supeficie di acqua è completamente piana, ma la bump map applicata simula le onde in modo molto realistico.

Mappa di riflessione

fig.6 - Mappa di riflessione su oggetti metallici e superfici lucide

fig.7 - Esempio di illuminazione complessa

Quindi, si è realizzato il modello, lo si è inserito in un ambiente, si sono definite anche le camere. L'unica cosa di cui abbiamo ancora bisogno, per "fare un disegno" è la luce. Il più semplice modo di illuminare in bCAD è quello di utilizzare le luci di studio. bCAD permette di accendere fino a 16 luci di studio. La posizione di queste luci è sempre fissa in relazione alla camera che si utilizza. In alcuni casi questo è sufficiente, ma certamente non sempre - come in un immagine di disegno di interni con una lampada da tavolo per esempio. Per questi casi bCAD ha degli speciali oggetti illuminanti, che possono essere posizionati in qualsiasi punto della scena. Queste luci possono essere di due tipi - luce diretta o omnidirezionale. Naturalmente queste luci possono essere di qualsiasi colore e luminosità. Si possono muovere, copiare, ruotare le luci come qualsiasi altro oggetto di bCAD. Con le luci direzionali si può definire l'angolo in cui la luce è costante e l'angolo dove la luce decresce fino a zero. Ci sono alcuni particolarità nelle luci del computer, ad esempio si possono impostare in modo che non producano ombre.

Rendering

fig.8 - Un'immagine di un complesso progetto ingegneristico renderizzara con il Goraud

Quindi, ultima dimostrazione - "fare il disegno", o, in linguaggio informatico fare il rendering. Il fotorealismo al computer può essere fatto con alcuni metodi diversi. bCAD ne mette a disposizione quattro - Flat rendering, Gouraud, Phong e Ray-tracing (il secondo ed il terzo sono chiamati con il nome dei loro autori). Quale metodo utilizzare dipende dal da quale stile e grado di realismo si necessita. Flat e Gouraud hanno possibilità limitate e normalmente sono utilizzate per anteprime o  per semplici presentazioni, come visualizzazioni ingegneristiche. Il grande vantaggio di questi metodi è la velocità. Il rendering Gouraud può essere velocizzzato dalla maggior parte degli attuali acceleratori grafici, utilizzando la tecnologia OpenGL, quindi è anche utilizzato in bCAD per le visualizzazioni in tempo reale, all'interno della finestra di disegno di bCAD.

fig.9 - Il rendering di un ufficio con il Phong

Il metodo Phong è più vantaggioso e permette di creare effetti più realistici con molti effetti visuali, quali ombre generale dalle luci dirette, mostrare mappe di riflessione e bump. E' ancora abbastanza veloce è non richiede molta RAM, quindi in molti casi è adatto anche per presentazioni finali, come ad esempio l'immagine di un ufficio come nell'esempio di lato. A dispetto dei molti oggetti complessi della scena, per creare questa immagine sono occorsi solo 40 secondi su un Pentium II 233. Quindi, per creare un minuto di animazione sarebbero occorsi circa 15 minuti, che non è certo un tempo lungo. Con i moderni computer il tempo sarà anche meno, naturalmente.

fig.10 - Rendering con il ray-tracing dell'interno di un Night club

Il metodo di visualizzazione più realistico in bCAD è il ray-tracing. In aggiunta al Phong esso riesce a produrre ombre da qualsiasi tipo di luce, reali effetti di riflessione combinata fra oggetti, rifrazione di luci e trasparenze. Sebbene il ray-tracing richieda molte più risorse dal computer e sia relativamente lento, esso permette di creare spettacolari immagini.

fig.11 - Il Ray-tracing permette di calcolare rifrazioni complesse in oggetti trasparenti

C'è un'opzione molto importante in termini di velocità nel ray-tracing. Il cosiddetto Grado di tracing con cui si intende quante riflessioni di raggi luminosi si desidera avere nella scena. Aumentando questo parametro si rallenta il rendering ed all'opposto diminuendolo si velocizza il processo. La regola principale è - il grado di tracing deve essere più alto del numero delle superfici trasparenti che la luce deve attraversare, altrimenti alcuni oggetti posti dietro ad altri trasparenti potrebbero risultare invisibili. In molti casi il grado di tracing al valore di 3 è sufficiente, ma se la scena contiene molte superfici trasparenti è necessario incrementarlo in modo significativo. Per l'immagine del calamaio di lato abbiamo impostato il grado di tracing a 15.

fig.12 - Posizionamento di un modello disegnato al computer all'interno di una foto